CN203116883U - 一种用于光纤复合相线的在线温度监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用于光纤复合相线的在线温度监测系统，监测系统包括OPPC光缆（1）、光单元Ⅰ（2）、光缆接头盒（3）、引入光缆（4）、测温主机（5）和监控计算机（6）；所述OPPC光缆（1）、光单元Ⅰ（2）、光缆接头盒（3）、引入光缆（4）和测温主机（5）依次连接；所述监控计算机（6）与测温主机（5）连接。本实用新型提供的技术方案用于对运行的OPPC光缆温度进行实时分区监测，为输电线故障预警、动态增容等应用提供准确的温度数据。

Description

一种用于光纤复合相线的在线温度监测系统

技术领域

本实用新型涉及一种监测系统，具体涉及一种用于光纤复合相线的在线温度监测系统。 

背景技术

高压电缆的负荷大，发热量高，其表面温度能够比较真实的反映电缆的实际运行情况，如过负荷运行、电缆线路绝缘故障等。基于温度信息对线路进行在线运行实时监测，是实现电缆日常检修与维护、电缆故障预警与诊断、线路事故排查与应急的重要手段。同时，通过电缆温度，结合日照、环境温度和风力等的传感器数据，可精确分析计算电缆的最大允许载流量，为合理配置负荷提供科学数据依据。 

光纤复合相线（OPPC）是在传统的相线结构中嵌入光纤单元的一种新型特种光缆，它充分利用了电力系统自身的线路资源，具有传输电能与通信业务的双重功能。在我国现行电网中，输电线路电流一般都采用三相电力系统传输，用OPPC替代三相中的一相，形成由两根导线和一根OPPC组合而成的三相电力系统，不需要另外架设通信线路就可以解决电网的自动化、调度、保护等问题。因此，OPPC技术提供了另一种电力通信解决方案。OPPC光缆充分利用电力系统的特有资源(输电线路、杆塔等)，与电力网架结构紧密结合在一起建设，施工速度快，工期短，采用OPPC光缆可优化输电线路设计，能充分利用输电线路资源，避免了在频率资源、路由协调、电磁兼容、短路、雷击等方面与外界的矛盾；OPPC光缆的建设不会给输电线路增加额外负担，降低了人为破坏的可能性。另外由于OPPC采用截面大的良导体材料制造，能承受的短路电流比OPGW光缆大；同时OPPC安装时不一定在杆塔的最上方，所以不易遭雷击，避免了像OPGW由落雷引起的断芯、断股的事故。110kV及以下电压等级的城网、农网线路没有架空地线，该电网架空导线对地面的常规距离已按设计选定。过去建设时不可能考虑光纤通信的要求，现在架设ADSS时，对地安全距离不够，挂点距离偏高，只有选择OPPC最为合适。对于高电压等级的输电线路，OPPC仍然具有应用的空间和可能性，国外已经有了应用实例。 

目前高压电缆包括电缆和架空导线的温度在线监测通常分散安装各种接触式和非接触式传感器，使用无线通信技术传输信号。现场由于电源、绝缘、通信传输等问题，不易实施。本实用新型专利根据输电线路状态在线监测需求，以及OPPC应用，结合拉曼散射分布式光 纤传感技术原理，设计一种用于光纤复合相线（OPPC）在线温度监测方法和系统。本实用新型结合OPPC和输电线路状态监测应用需求，实现输电、测温、通信三种功能。提升输电系统智能化程度。 

相关中国专利ZL200920289025.2一种应用于光纤复合相线OPPC的应力应变测量装置，由基于布里渊散射的分布式光纤系统BOTDR、监控计算机、传导光纤及其接头盒和光纤复合相线OPPC组成，可完成对OPPC应力应变异常点监测；相关中国专利ZL200910175452分布式光纤测温系统，实用新型包括单片机控制板、光纤温度场信息采集模块、光电探测器和电路信号后处理模块，可完成对测温光缆的温度监测，不能实现OPPC温度监测。中国专利ZL201110007053.2基于分布式光纤测温方法的电缆载流量监测方法及系统，测温光纤直接接触电缆表面，使用的测量方法不能用于OPPC温度监测。美国专利US7412117(PCT/GB2004/004383)Apparatus and method for distributed temperature sensing,并没有考虑OPPC线路复杂热传导特点，没有考虑到架空光缆多点接续的特殊性能。 

实用新型内容

针对现有技术的不足，本实用新型提供一种用于光纤复合相线的在线温度监测系统，该在线温度监测系统用于对运行的OPPC光缆温度进行实时分区监测，为输电线故障预警、动态增容等应用提供准确的温度数据。 

本实用新型的目的是采用下述技术方案实现的： 

一种用于光纤复合相线的在线温度监测系统，其改进之处在于，所述监测系统包括OPPC光缆1、光单元Ⅰ、光缆接头盒3、引入光缆4、测温主机5和监控计算机6；所述OPPC光缆1、光单元Ⅰ、光缆接头盒3、引入光缆4和测温主机5依次连接；所述监控计算机6与测温主机5连接。 

其中，所述OPPC光缆1包括至少一层钢芯11、至少一个光单元Ⅱ和至少一层铝线13；所述至少一层钢芯11和至少一个光单元Ⅱ构成OPPC光缆的中心加强芯；所述至少一层铝线13均匀设置在中心加强芯外层。 

其中，所述钢芯11采用铝包钢线或镀锌钢线；所述光单元Ⅱ为不锈钢管光单元；所述铝线13或为铝合金。 

其中，所述光单元Ⅰ和光单元Ⅱ包括光纤和保护材料；所述光纤包括测温光纤和通信光纤；所述测温光纤和通信光纤在钢管中阻水材料油膏填充固定；所述测温光纤采用多模62.5/125或50/125微米光纤；所述保护材料采用金属或非金属。 

其中，集成测温光纤的OPPC光缆1应用在10kV-500kV不同电压等级。 

其中，所述OPPC光缆1的测温光纤与光单元Ⅰ的测温光纤连接；所述光单元Ⅰ的测温光纤与所述光缆接头盒3连接。 

其中，所述光缆接头盒3用于完成OPPC光缆的光电分离，并把所述OPPC光缆1的测温光纤和光单元Ⅰ的测温光纤与引入光缆4对接。 

其中，所述引入光缆4采用衰减为3db/公里的光纤，所述引入光缆4传输与测温主机5中激光器发射的激光源匹配。 

其中，所述测温主机5包括激光器51、光源放大器52、波分复用器53、逻辑触发电路54、控制芯片55、光电转换器56、模数转换电路57、模拟信号处理器58和通信接口59； 

所述激光器51的光源信号经光源放大器52、波分复用器53和光电转换器56传递给模拟信号处理器58； 

所述模拟信号处理器58将信号处理后传递给模数转换电路57； 

所述控制芯片55分别与光源放大器52、逻辑触发电路54和模拟信号处理器58通信； 

所述逻辑触发电路54分别与激光器51和模数转换才57通信； 

所述通信接口59与控制芯片55相互通信。 

其中，所述激光器51发射激光源，所述激光源采用长波设计；所述激光器51中包括驱动电路；所述驱动电路用于降低噪声并提高驱动功率。 

其中，所述光源放大器52采用掺铒光纤放大器；所述波分复用器53完成入射光发射和反射光接收。 

其中，所述逻辑触发电路54向激光器提供调制信号，所述调制信号采用宽度为10ns以上的电脉冲序列；所述控制芯片55包括存储器。 

其中，所述光电转换器56采用雪崩二极管，用于实现反射光到电流信号的转换；所述反射光包括斯托克斯光和方斯托克斯光； 

所述模拟信号处理器58完成电流信号到电压信号转换，并把电压信号进行放大处理；所述模数转换电路57采用模数转换芯片，模数转换芯片与控制芯片之间采用并行接口连接。 

其中，所述通信接口59采用以太网或串口通信方式；所述传感数据信号通过所述通信接口实时输入并存储到控制芯片的存储器中；所述传感数据信号包括环境温度、日照强度和风速信号。 

其中，所述监控计算机6用于完成对数据的存储和统计分析，并提供给载流量评估系统和输电线路状态监测系统数据。 

与现有技术比，本实用新型达到的有益效果是： 

1、本发明提供的用于光纤复合相线的温度检测方法，基于光纤复合相线温度常模型；获得的OPPC光缆温度准确性高； 

2、本发明提供的用于光纤复合相线的温度检测方法，根据测量的距离、光纤温度，得到的实际电流，判断所述电流值和测温光纤温度的逻辑关系，为推到环境温度、日照强度、风速多种因素影响提供基础； 

3、本实用新型提供的用于光纤复合相线的在线温度监测系统，实现一根导线完成输电、通信、测温三种功能，提高了OPPC光缆应用的综合性能； 

4、本实用新型提供的用于光纤复合相线的在线温度监测系统，考虑环境温度、日照强度、风速多种因素对OPPC光缆测温光纤的影响，有效提高输电线路状态监测系统传感器的性能。 

附图说明

图1是本实用新型提供的用于光纤复合相线的在线温度监测系统框图；其中：1-OPPC光缆；2-光单元Ⅰ；3-光缆接头盒；4-引入光缆；5-测温主机； 

图2是本实用新型提供的集成测温光纤的OPPC光缆1的示意图；其中：11-钢芯；12-光单元Ⅱ；13-铝线； 

图3是本实用新型提供的测温主机5的原理图； 

图4是本实用新型提供的用于光纤复合相线的在线温度监测方法的流程图。 

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步的详细说明。 

本实用新型提供的用于光纤复合相线的在线温度监测系统框图如图1所示，监测系统包括OPPC光缆1、光单元Ⅰ、光缆接头盒3、引入光缆4、测温主机5和监控计算机6；OPPC光缆1、光单元Ⅰ、光缆接头盒3、引入光缆4和测温主机5依次连接；监控计算机6与测温主机5连接。 

本实用新型提供的集成测温光纤的OPPC光缆1如图2所示，OPPC光缆1包括至少一层钢芯11、至少一个光单元Ⅱ和至少一层铝线13；所述至少一层钢芯11和至少一个光单元Ⅱ构成OPPC光缆的中心加强芯；至少一层铝线13均匀设置在中心加强芯外层。 

钢芯11采用铝包钢线或镀锌钢线；所述光单元Ⅱ为不锈钢管光单元；所述铝线13或为 铝合金。光单元Ⅰ和光单元Ⅱ包括光纤和保护材料；光纤包括测温光纤和通信光纤；测温光纤和通信光纤在钢管中阻水材料油膏填充固定；测温光纤采用多模62.5/125或50/125微米光纤；保护材料采用金属或非金属。整个OPPC光缆截面含有不同热传递性能的材料，以及集肤效应等是影响OPPC光缆测温暂态性能的关键。光纤的损耗系数和散射系数优化后提高了散射光的强度。高压架空（220kV及以上）线每相一般采用多分离导线，带来的OPPC和其非OPPC的性能匹配问题，为了保持相同的载流量和三相电气平衡，必须要尽量保证OPPC与配合导线的直径、抗拉强度、重量、直流电阻等相似。 

集成测温光纤的OPPC光缆1应用在10kV-500kV不同电压等级。OPPC光缆1的测温光纤与光单元Ⅰ的测温光纤连接；光单元Ⅰ的测温光纤与所述光缆接头盒3连接。光单元的保护材料可以是金属的，也可以是非金属的，非金属可构成OPPC光缆的承力部分，金属保护材料也可组成OPPC光缆传输电流的部分。光单元Ⅰ是能容纳光纤，且能保护光纤免受环境变化、外力、长期与短期的热效应、潮气等原因引起的损坏。光单元Ⅰ可以包含金属管、塑料管、带槽的骨架或合适的阻水材料作为保护结构，测温OPPC中使用钢管作为光纤保护。 

光缆接头盒3用于完成OPPC光缆的光电分离，并把所述OPPC光缆1的测温光纤和光单元Ⅰ的测温光纤与引入光缆4对接。光缆接头盒是测温主机5测温距离的起点。 

引入光缆4采用衰减为3db/公里的光纤，引入光缆4传输与测温主机5中激光器发射的激光源匹配。 

本实用新型提供的测温主机原理如图3所示，测温主机5包括激光器51、光源放大器52、波分复用器53、逻辑触发电路54、控制芯片55、光电转换器56、模数转换电路57、模拟信号处理器58和通信接口59；测温主机5根据光缆段接续点数量，以及光缆接头盒3、引入光缆4和OPPC光缆1的光性能传输参数，考虑在线温度监测系统分散性的影响，评估双向衰减，优化调整激光发射源参数，提高测量的温度精度和距离定位精度。测温主机5单独设计逻辑触发电路，有效保证模数转换和激光源发射脉冲同步。 

激光器51的光源信号经光源放大器52、波分复用器53和光电转换器56传递给模拟信号处理器58；模拟信号处理器58将信号处理后传递给模数转换电路57；控制芯片55分别与光源放大器52、逻辑触发电路54和模拟信号处理器58通信；逻辑触发电路54分别与激光器51和模数转换才57通信；通信接口59与控制芯片55相互通信。 

激光器51发射激光源，所述激光源采用长波设计，光放大器可根据控制芯片反馈的散射光参数自动调整；所述激光器51中包括驱动电路；驱动电路用于降低噪声并提高驱动功率。 

光源放大器52采用掺铒光纤放大器；波分复用器53完成入射光发射和反射光接收。波 分复用器53的作用是将信号光耦合进光纤，将散射光中的瑞利散射、布里渊散射以及端面噪声滤除，并将斯托克斯光和反斯托克斯光区分开，光纤中的背向散射光经过波分复用后被分成两路，斯托克斯光和反斯托克斯光，波分复用器53是通过使用性质不同的滤波片的组合来达到滤出拉曼光谱的目的，在玻璃的光滑表面上涂镀一层折射率和厚度都均匀的透明介质薄膜来达到对不同波长的增透或增反效果。 

逻辑触发电路54实现激光发射和模数转换的同步，向激光器提供调制信号，所述调制信号采用宽度为10ns以上的电脉冲序列；控制芯片55完成几个关键模块之间的协调控制，多种传感信息的融合计算，控制芯片55包括存储器，实时存储通信接口59传输来的传感数据信号。 

光电转换器56采用雪崩二极管，用于实现反射光到电流信号的转换；所述反射光包括斯托克斯光和方斯托克斯光；模拟信号处理器58完成电流信号到电压信号转换，并把电压信号进行放大处理；所述模数转换电路57采用模数转换芯片，模数转换芯片与控制芯片之间采用并行接口连接。提高采样的响应速度。 

通信接口59采用以太网或串口通信方式；传感数据信号通过所述通信接口实时输入并存储到控制芯片的存储器中；完成多传感信息融合处理。传感数据信号包括环境温度、日照强度和风速信号。 

监控计算机6用于完成对数据的存储和统计分析，并提供给载流量评估系统和输电线路状态监测系统数据。所述在线温度监测系统分别与载流量评估系统和输电线路状态监测系统连接。 

针对在线温度监测系统本实用新型还提供用于光纤复合相线的在线温度监测方法，流程如图4所示，该方法包括下述步骤： 

A、采集所述光单元Ⅱ或光单元Ⅰ各距离点测温光纤温度： 

各距离点的范围在0.5m-1m之间；所述测温主机5测温通道的测量时间为40s；所述测温光纤温度对应各距离点的坐标值以40秒不断刷新的实时数据：（X₁，T₁）、（X₂，T₂）、（X₃，T₃）…（X_n，T_n） 

其中：X表示距离；T表示温度；X₁为第一个距离点的距离；T₁得到第一个距离点的对应的测温光纤温度；X₂为第二个距离点的距离；T₂得到第二个距离点的对应的测温光纤温度；X₃为第三个距离点的距离；T₃得到第三个距离点的对应的测温光纤温度；X_n为第n个距离点的距离；T_n得到第n个距离点的对应的测温光纤温度；n为总的测量距离对距离分辨率的倍数取整。 

B、所述步骤A的测温光纤温度和所述监控计算机6的电流值数据映射： 

输入实际电流值I，得到包括距离点、测温光纤温度、实际电流值的实时数据：（X₁,T₁，I₁）、（X₂,T₂，I₂）、（X₃,T₃，I₃）…（X_n,T_n，I_n），步骤B中电流值的计算方法可以根据电力系统中已有的关键节点的电流传感器数据按照基尔霍夫定律电流定律得到。I₁表示第一个距离点的电流值；I₂表示第二个距离点的电流值；I₃表示第三个距离点的电流值；I_n表示第n个距离点的电流值；所述电流值对应监控计算机6输出的步骤A中40s时间内实际电流的有效值。 

C、判断所述电流值和测温光纤温度的逻辑关系： 

所述电流值和测温光纤温度的逻辑关系为电流值增大时测温光纤温度增加或者不变；热传导时间大于通道反应时间40s；若不满足热传导时间大于通道反应时间40s，则判断环境温度t1、日照强度q和风速v对测温光纤温度的影响。 

D、导入所述OPPC光缆热传递模型： 

在环境温度t1、日照强度q和风速v一定时所述OPPC光缆热传递模型为：y＝f(T)； 

其中：y表示OPPC光缆温度；T表示步骤A中测温光纤温度。 

E、对OPPC光缆温度进行修正： 

对OPPC光缆1温度进行修正，步骤D中是按照预先假定的外部条件推倒的OPPC光缆温度，预先假定的外部条件包括实际电流、环境温度、风俗、日照强度；需要对步骤C给出的逻辑推理修正实际导线温度y。结合额外传感信息导入，包括一些现场输电线路在线监测传感器的数据（主要包括环境温度、风俗、日照强度），以及各种来源地气象预报数据。 

F、存储数据并生成OPPC光缆温度监测基础数据库： 

修正的OPPC光缆1温度和距离点存储到数据库中，形成OPPC光缆1温度监测基础数据库：（X₁，y₁）、（X₂，y₂）、（X₃，y₃）…（X_n，y_n）； 

与实际电流值一起存储，形成OPPC光缆动态增容基础数据库：（X₁，y₁，I₁）、（X₂，y₂，I₂）、（X₃，y₃，I₃）…（X_n，y_n，I_n）； 

将OPPC光缆1温度监测基础数据库和OPPC光缆动态增容基础数据库存储到所述控制芯片55的存储器中。 

本实用新型提供的用于光纤复合相线的在线温度监测系统，实现一根导线完成输电、通信、测温三种功能，提高了OPPC光缆应用的综合性能；考虑环境温度、日照强度、风速多种因素对OPPC光缆测温光纤的影响，有效提高输电线路状态监测系统传感器的性能。 

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本实用新型进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本实用新型的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本实用新型精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。 

Claims (15)

1.一种用于光纤复合相线的在线温度监测系统，其特征在于，所述监测系统包括OPPC光缆（1）、光单元Ⅰ（2）、光缆接头盒（3）、引入光缆（4）、测温主机（5）和监控计算机（6）；所述OPPC光缆（1）、光单元Ⅰ（2）、光缆接头盒（3）、引入光缆（4）和测温主机（5）依次连接；所述监控计算机（6）与测温主机（5）连接。 

2.如权利要求1所述的在线温度监测系统，其特征在于，所述OPPC光缆（1）包括至少一层钢芯（11）、至少一个光单元Ⅱ（12）和至少一层铝线（13）；所述至少一层钢芯（11）和至少一个光单元Ⅱ（12）构成OPPC光缆的中心加强芯；所述至少一层铝线（13）均匀设置在中心加强芯外层。 

3.如权利要求2所述的在线温度监测系统，其特征在于，所述钢芯（11）采用铝包钢线或镀锌钢线；所述光单元Ⅱ（12）为不锈钢管光单元；所述铝线（13）或为铝合金。 

4.如权利要求1所述的在线温度监测系统，其特征在于，光单元Ⅰ（2）和光单元Ⅱ（12）包括光纤和保护材料；所述光纤包括测温光纤和通信光纤；所述测温光纤和通信光纤在钢管中阻水材料油膏填充固定；所述测温光纤采用多模62.5/125或50/125微米光纤；所述保护材料采用金属或非金属。 

5.如权利要求2-3中任一项所述的在线温度监测系统，其特征在于，集成测温光纤的OPPC光缆（1）应用在10kV-500kV不同电压等级。 

6.如权利要求1所述的在线温度监测系统，其特征在于，所述OPPC光缆（1）的测温光纤与光单元Ⅰ（2）的测温光纤连接；所述光单元Ⅰ（2）的测温光纤与所述光缆接头盒（3）连接。 

7.如权利要求1所述的在线温度监测系统，其特征在于，所述光缆接头盒（3）用于完成OPPC光缆的光电分离，并把所述OPPC光缆（1）的测温光纤和光单元Ⅰ（2）的测温光纤与引入光缆（4）对接。 

8.如权利要求1所述的在线温度监测系统，其特征在于，所述引入光缆（4）采用衰减为3db/公里的光纤，所述引入光缆（4）传输与测温主机（5）中激光器发射的激光源匹配。 

9.如权利要求1或8所述的在线温度监测系统，其特征在于，所述测温主机（5）包括激光器（51）、光源放大器（52）、波分复用器（53）、逻辑触发电路（54）、控制芯片（55）、光电转换器（56）、模数转换电路（57）、模拟信号处理器（58）和通信接口（59）； 

所述激光器（51）的光源信号经光源放大器（52）、波分复用器（53）和光电转换器（56）传递给模拟信号处理器（58）； 

所述模拟信号处理器（58）将信号处理后传递给模数转换电路（57）； 

所述控制芯片（55）分别与光源放大器（52）、逻辑触发电路（54）和模拟信号处理器（58） 通信； 

所述逻辑触发电路（54）分别与激光器（51）和模数转换才（57）通信； 

所述通信接口（59）与控制芯片（55）相互通信。 

10.如权利要求9所述的在线温度监测系统，其特征在于，所述激光器（51）发射激光源，所述激光源采用长波设计；所述激光器（51）中包括驱动电路；所述驱动电路用于降低噪声并提高驱动功率。 

11.如权利要求9所述的在线温度监测系统，其特征在于，所述光源放大器（52）采用掺铒光纤放大器；所述波分复用器（53）完成入射光发射和反射光接收。 

12.如权利要求9所述的在线温度监测系统，其特征在于，所述逻辑触发电路（54）向激光器提供调制信号，所述调制信号采用宽度为10ns以上的电脉冲序列；所述控制芯片（55）包括存储器。 

13.如权利要求9所述的在线温度监测系统，其特征在于，所述光电转换器（56）采用雪崩二极管，用于实现反射光到电流信号的转换；所述反射光包括斯托克斯光和方斯托克斯光； 

所述模拟信号处理器（58）完成电流信号到电压信号转换，并把电压信号进行放大处理；所述模数转换电路（57）采用模数转换芯片，模数转换芯片与控制芯片之间采用并行接口连接。 

14.如权利要求9所述的在线温度监测系统，其特征在于，所述通信接口（59）采用以太网或串口通信方式；传感数据信号通过所述通信接口实时输入并存储到控制芯片的存储器中；所述传感数据信号包括环境温度、日照强度和风速信号。 

15.如权利要求1所述的在线温度监测系统，其特征在于，所述监控计算机（6）用于完成对数据的存储和统计分析，并提供给载流量评估系统和输电线路状态监测系统数据。 

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